plik

artnik

Instytut Genetyki i Biotechnologii

Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego

oraz Instytut Biochemii i Biofizyki PAN

Pawińskiego 5a, 02-106 Warszawa

E-mail: ebartnik@igib.uw.edu.pl

LUDZKI GENOM MITOCHONDRIALNY*

W każdej komórce ludzkiej (z wyjątkiem

erytrocytów) znajdują się mitochondria. W

latach 60. ubiegłego wieku wykryto, że za-

wierają one swój własny DNA, który zse-

kwencjonowano na początku lat 80. ubie-

głego wieku w laboratorium Francisa San-

gera (który za techniki sekwencjonowania

DNA otrzymał swoją drugą nagrodę Nobla).

Ustalono wiele faktów o mitochondriach,

od ewidentnych, takich jak ich rola w pro-

cesie oddychania, poprzez dość nieoczeki-

wane, takie jak stwierdzenie, że mutacje w

tym genomie są odpowiedzialne za wiele

chorób ludzkich, zazwyczaj dających najsil-

niejsze objawy w komórkach mięśniowych

lub nerwowych.

Mitochondria dziedziczone są tylko od

matki. Między genomami mitochondrialnymi

(które w przeciętnej komórce somatycznej

występują w około 5 kopiach na mitochon-

drium, przy kilkuset mitochondriach na ko-

mórkę) rekombinacja, o ile zachodzi, jest na

poziomie na tyle niskim, że możemy trakto-

wać wszystkich potomków jednej matki jako

jednorodną grupę. Oczywiście to nie jest do

końca prawdziwe, bo DNA ulega mutacjom,

i to z większą szybkością niż genom jądro-

wy. Wynika to z kilku przyczyn. Po pierwsze,

DNA mitochondrialny jest położony blisko

głównego źródła wolnych rodników — łań-

cucha oddechowego, poza tym jest pozba-

wiony histonów i nie ma pełnej gamy syste-

mów naprawczych dostępnej w jądrze. Gdy

wszystkie cząsteczki DNA w danej komórce

są takie same, określane to jest jako homo-

plazmia, jeśli są obecne np. DNA zmutowane

i niezmutowane jest to heteroplazmia (w

lacE

2005).

Wiadomo też, że w czasie powstawania

gamet żeńskich, w którymś momencie w

czasie rozwoju komórki jajowej, obecnych

jest w niej niewiele mitochondriów — może

około 20, choć to są dane dla myszy, nie dla

ludzi — a następnie dzielą się one dochodząc

do około 100 000. Stadium „wąskiego gardła”

z niewielką liczbą mitochondriów jest po-

strzegane jako etap selekcji mitochondriów

aktywnych oddechowo, choć jest to pewne

uproszczenie, ponieważ u kobiet cierpiących

na choroby mitochondrialne produkowane

są między innymi komórki jajowe zawierają-

ce nieomal całkowicie zmutowany DNA. Przy

okazji warto dodać, że u większości osób ma-

jących choroby mitochondrialne DNA w mi-

tochondriach jest mieszaniną normalnego i

zmutowanego.

W latach 80. ubiegłego wieku Alan Wil-

son i jego współpracownicy (c

ann

i współ-

aut. 1987) przebadali DNA kilkudziesięciu

osób z różnych stron świata. Wówczas nie

sekwencjonowano jeszcze zazwyczaj całych

genomów mitochondrialnych, praca ta opie-

ra się na analizie polimorfizmów miejsc re-

strykcyjnych w genomie mitochondrialnym.

Największą różnorodność mitochondrialne-

go DNA znaleziono w Afryce; drzewa spo-

rządzone na podstawie tych wyników (i po-

twierdzone wielokrotnie przez późniejsze

badania) wskazały na wspólnego przodka (a

raczej może na wspólną pramatkę) żyjącą w

*Praca została wykonana w ramach funkcjonowania Polskiej Sieci Mitochondrialnej MitoNet.pl

Tom 58

2009

Numer 3–4 (284–285)

Strony

555–558

556

artnik

Afryce około 180000 lat temu (c

ann

i współ-

aut. 1987; w

allacE

1995, 2005). Oczywiście

nie była to jedyna wówczas żyjąca kobieta

(stąd nazwa „Ewa” może nie jest do końca

uzasadniona), ale tylko jej mitochondria były

przekazywane z córki na córkę przez wiele

pokoleń aż do czasów współczesnych; inne

mitochondrialne DNA pochodzące od kobiet

żyjących w czasach „Ewy” nie dotrwały do

dzisiaj.

Genom mitochondrialny wydaje się być

idealny do badań ewolucji. Jest mały (16658

par zasad u człowieka), nie ulega rekombina-

cji lub ulega jej na bardzo niskim poziomie,

dostępne są sekwencje nie tylko ludzkich

mitochondrialnych DNA, ale także sekwen-

cje szympansa, goryla i innych ssaków, które

pozawalają na ustalenie momentów rozejścia

się dróg poszczególnych gatunków. Ponie-

waż występuje w wielu kopiach we wszyst-

kich komórkach, daje się go pozyskać z ma-

teriałów muzealnych i kopalnych łatwiej, niż

DNA jądrowy.

Obecnie różne warianty mitochondrial-

nego DNA są poklasyfikowane na grupy o

wspólnym pochodzeniu i zbliżonych sekwen-

cjach, tzw. haplogrupy. W Afryce występują

cztery główne haplogrupy — L0, L1, L2 i L3.

Poza Afryką rozprzestrzeniły się tylko dwie

haplogrupy M i N, pochodzące z L3. W Eu-

ropie z N powstały haplogrupy H, T, U, V,

W, X, I, J i K, w Azji z M i N powstały od-

powiednio haplogrupy C, D i G oraz A, B i

F. Analiza rozmieszczenia poszczególnych ha-

plogrup na świecie pozwoliła na prześledze-

nie migracji ludzi oryginalnie wychodzących

z Afryki i zasiedlających całą naszą planetę

allacE

1995, 2005).

W genomie mitochondrialnym człowieka,

który wielkością jest zbliżony do niewielkie-

go genu jądrowego, zapisana jest informacja

o syntezie 22 tRNA, 2 rRNA i 13 polipepty-

dów wchodzących w skład łańcucha odde-

chowego (patrz artykuł G

olika

w tym zeszy-

cie KOSMOSU). Polipeptydy te znajdują się

w czterech z pięciu kompleksów łańcucha

oddechowego, jedynie kompleks II jest zło-

żony z białek kodowanych wyłącznie przez

genom jądrowy, w którym zakodowanych

jest też około 1 000 innych białek obecnych

w mitochondriach. Koewolucja genomu mi-

tochondrialnego i jądrowego jest zagadnie-

niem fascynującym, ale jeszcze słabo pozna-

nym (patrz artykuł G

olika

w tym zeszycie

KOSMOSU). Sama natomiast ewolucja geno-

mu mitochondrialnego stanowi obiekt badań

wielu grup, na coraz bardziej interesującym

poziomie, ponieważ obecnie w bazach da-

nych (mtDB) dostępnych jest ponad 2 000

sekwencji ludzkiego mitochondrialnego DNA

z całego świata (i

nGman

i G

yllEnstEn

2006)

i baza ta jest ciągle aktualizowana.

W badaniu szybkości zmian mitochon-

drialnego DNA bardzo często porównuje się

szybkość podstawień synonimicznych w po-

równaniu z podstawieniami niesynonimicz-

nymi. Zakłada się, że w każdym punkcie ge-

nomu mutacje mogą zachodzić z równym

prawdopodobieństwem. To czy pozostaną

czy zostaną wyeliminowane zależy od tego,

jaki będą miały wpływ na fenotyp. Ponie-

waż dla genów kodujących białka na fenotyp

wpływa białkowy produkt, uważa się, że jeśli

mutacja powoduje zamianę kodonu dla dane-

go aminokwasu na inny kodon dla dokładnie

tego samego aminokwasu (czyli mutacja sy-

nonimiczna) nie będzie miała wpływu na fe-

notyp. Jeśli mutacja spowoduje, że kodowany

będzie inny niż oryginalny aminokwas, wów-

czas powstające białko będzie inne (mutacja

niesynonimiczna). Mutacja taka może być

szkodliwa i wówczas osobnik z taką mutacją

będzie eliminowany, lub może być korzystna,

wówczas mutacja ma szansę się utrwalić.

Warto tu może dodać, że w ostatnich la-

tach w stosunku do genów kodowanych ją-

drowo znaleziono kilka wyjątków od braku

efektów mutacji synonimicznych. Mutacje

takie mogą powodować zmianę wykorzysty-

wanego tRNA, co z kolej może wpływać na

tempo syntezy białka (nie wszystkie tRNA dla

danej grupy kodonów aminokwasu występu-

ją w komórce na tym samym poziomie), a

tempo syntezy może wpływać na konforma-

cję białka. Także niewinne z pozoru mutacje

synonimiczne mogą wpływać zarówno na

splicing (co może zmieniać sekwencję biał-

ka), jak i na konformację mRNA. Konforma-

cja mRNA może z kolei wpływać na proces

translacji (P

armlEy

i H

urst

2007). Na szczę-

ście w mitochondriach tego typu efekty ra-

czej nie występują — 22 tRNA odpowiada za

odczytywanie 20 kodonów aminokwasów,

więc dla olbrzymiej większości aminokwa-

sów (z wyjątkiem seryny i leucyny) istnieje

tylko jedna cząsteczka tRNA. Nie ma też in-

tronów, i w zasadzie praktycznie mRNA nie

mają części nie ulegających translacji. W mi-

tochondriach ludzkich istnieje jeden obszar

niekodujący, o długości około 1100 par za-

sad, tzw. pętla D, w której znajdują się miej-

sca inicjacji transkrypcji obu nici i począ-

tek replikacji jednej z nich. Reszta genomu

mitochondrialnego jest ściśle upakowana,

557

Ludzki genom mitochondrialny

prawie wszystkie geny są na jednej nici, na

drugiej jest tylko zakodowane jedno białko i

8 tRNA. Teoretycznie więc w genach kodu-

jących białka (a jest ich 13) można porów-

nywać podstawienia synonimiczne w sto-

sunku do niesynonimicznych a w obszarze

niekodującym pętli D badać częstość zmian

w poszczególnych miejscach. Jeśli zmian

niesynonimicznych jest mało, zachodzi naj-

prawdopodobniej selekcja oczyszczająca. Je-

śli jest ich dużo może to świadczyć o pozy-

tywnej selekcji w danym genie.

Wallace i jego współpracownicy (m

isHmar

i współaut. 2003) określili stosunki zmian nie-

synonimicznych do synonimicznych dla ge-

nów 13 białek kodowanych w mitochondrial-

nym DNA na dużej próbie sekwencji 1 125

genomów mitochondrialnych. Okazało się, że

częstość zmian w jednej z kodowanych mito-

chondrialnie podjednostek ATPazy (gen ATP6)

nie jest stała w różnych strefach geograficz-

nych. W obszarach zimnych gen był bardzo

zmienny, za to był silnie konserwowany w

obszarach tropikalnych, natomiast odwrotne

efekty stwierdzono dla genu cyt. B. Stwierdzo-

no i inne zależne od strefy klimatycznej zmia-

ny, co doprowadziło do postawienia hipotezy,

że mutacje tego typu stanowią przystosowanie

do różnych klimatów. Ta hipoteza, omówiona

obszernie przez w

allacE

’

(2005) nie jest po-

twierdzana we wszystkich badaniach sekwen-

cji mitochondrialnego DNA i obecnie toczą

się dyskusje nad tym, czy metodologia badań,

klasyfikacja haplogrup itp. są prawidłowe. Jed-

nak uzyskiwane wyniki są bardzo ciekawe. Na

przykład m

oilanEn

i współaut. (2003) wykaza-

li, że różnice w częstości podstawień niesyno-

nimicznych w stosunku do synonimicznych są

różne zarówno dla różnych genów, jak i ha-

plogrup. Stwierdzili na przykład, że w jednej

z haplogrup europejskich, J, jeden z genów

podjednostek kompleksu I, ND5, był praktycz-

nie pozbawiony jakichkolwiek mutacji niesy-

nonimicznych, choć nie stwierdzono tego dla

innych haplogrup. Wiele badań stwierdza tak-

że, że pętla D jest bardzo interesującym ob-

szarem — niektóre nukleotydy wydają się nie

mutować, w innych miejscach mutacje zacho-

dzą często (H

owEll

i wspólaut. 2007).

Oprócz badań nad ewolucją, które są bar-

dzo liczne i nie wszystkie dają wyniki zgodne

z hipotezą Wallace’a o wpływie klimatu na

ewolucję genomu mitochondrialnego (H

wEll

i współaut. 2007, s

i współaut. 2007),

zainteresowanie budzi ustalenie, na co tak

naprawdę wpływa posiadanie danej haplo-

grupy. Badania asocjacji haplogrup mitochon-

drialnych ze starzeniem, nowotworami i po-

szczególnymi chorobami (choroba Alzheime-

ra, Parkinsona, schizofrenia) czy zjawiskami

(ruchliwość plemników) zajmują sporą część

współczesnej literatury dotyczącej mitochon-

driów i są w wielu przypadkach trudne do

interpretacji. Często wynika to ze zbyt małej

liczebności badanych prób (t

ońska

i współ-

aut. 2009). Fakt, że wyniki często nie są po-

wtarzalne dla innych populacji niż pierwot-

nie badana przypomina sytuację z szukaniem

genów odpowiedzialnych za ludzkie choroby

wieloczynnikowe. Należy pamiętać, że mito-

chondria nie są niezależnymi organellami i

że często zupełnie nie rozumiemy interakcji

jądro-mitochondrium-środowisko. Dla jednej

z najczęstszych chorób mitochondrialnych,

choroby Lebera, mimo wieloletnich badań

nie rozumiemy, dlaczego trzy znane mutacje

mitochondrialne w podjednostkach komplek-

su I, odpowiedzialne za ponad 90% przypad-

ków tej choroby, są warunkiem koniecznym,

ale nie wystarczającym wystąpienia tej cho-

roby, dlaczego najłagodniejsza z tych trzech

mutacji występuje prawie zawsze w haplo-

grupie J, i dlaczego kobiety o wiele rzadziej

od mężczyzn tracą wzrok przy posiadaniu

takiego samego poziomu mutacji (w

allacE

2005).

W nowotworach bardzo często wystę-

pują mutacje w mitochondrialnym DNA. Są

one bardzo różnorodne i na ogół prace po-

legają na porównywaniu zdrowej i rakowej

tkanki u danej grupy pacjentów. Pewne mu-

tacje stwierdza się częściej, pewne rzadziej

dla danej grupy nowotworów, ale choć mia-

no nadzieję, że będą one stanowić markery

rozwoju tej choroby, lub że uda się ustalić

zwiększone czy zmniejszone ryzyko dla pew-

nych haplogrup, w dziedzinie tej – podobnie

jak dla wielu badań dotyczących mitochon-

driów — jest bardzo wiele prac i stosunkowo

mało ciekawych pomysłów. Najciekawszy po-

chodzi znowu od Wallace’a — po kompilacji

wszystkich opublikowanych do 2006 r. muta-

cji mitochondrialnego DNA w nowotworach

doszedł do wniosku, że te mutacje są w ol-

brzymiej większości tymi samymi, które wy-

stępowały w czasie normalnej ewolucji geno-

mu mitochondrialnego (B

randon

i współaut.

2006).

Mitochondria są fascynującym obiektem

badań, a ich ewolucja, rola, zmienność mito-

chondrialnego DNA i wpływ zmian w mito-

chondrialnym DNA na nasze zdrowie będzie

na pewno jeszcze przez wiele lat dostarczać

wielu ciekawych informacji.

558

artnik

The human mitochondrial genome is a small

16.5 kb circular double-stranded DNA molecule con-

taining 37 genes. Mutations in this DNA can lead to

various diseases, and the mitochondrial DNA (mtD-

NA) genome which is maternally inherited has been

very often used in studies on human evolution. Mi-

tochondria of all humans appear to originate from

one woman who lived in Africa about 180000 years

ago. Various parts of the mtDNA may not evolve at

the same rate, and the different mitochondrial DNA

haplogroups may not be totally functionally equiva-

lent, raising questions as to the involvement of mito-

chondria in various human diseases and the process

of aging.

THE HUMAN MITOCHONDRIAL GENOME

S u m m a r y

litEratura

randon

m., B

aldi

P., w

allacE

d. C., 2006.

Mito-

chondrial mutations in cancer. Oncogene 25,

4647–4662.

ann

R. L., s

tonEkinG

M., w

ilson

A. C., 1987.

Mito-

chondrial DNA and human evolution. Nature

325: 31–36.

owEll

, N., E

lson

J. E., H

owEll

C., t

urnBull

D. M.

2007.

Relative rates of evolution in the coding

and control regions of African mtDNAs. Mol.

Biol. Evol. 24, 2213–2221.

nGman

, M., G

yllEnstEn

U., 2006. mtDB:

Human Mi-

tochondrial Genome Database, a resource for

population genetics and medical sciences. Nucle-

ic Acids Res. 34 (Database issue): D749–51.

isHmar

D., r

uiz

-P

Esini

E. F., G

olik

P., m

acaulay

V.,

lark

A. G. i współaut., 2003.

Natural selection

shaped regional mtDNA variation in humans.

Proc. Natl. Acad. Sci

. USA 100, 171–176.

oilanEn

J. S., F

innila

S., m

ajamaa

K. 2003.

Lineage-

specific delection in human mtDNA: lack of

polymorphisms in a segment of MTND5 gene in

haplogroup J. Mol. Biol. Evol. 20, 2132–2142.

armlEy

J. L., H

urst

L. D., 2007.

How do synony-

mous mutaitons affect fitness? BioEssays 29,

515–519.

C., k

onG

Q.p., z

HanG

Y. P., 2007.

The role of cli-

mate in human mitochondrial DNA evolution:

a reappraisal. Genomics 89, 338–342.

ońska

K., s

ołyGa

A., B

artnik

E. 2009.

Mitochon-

dria and aging: innocent bystanders or guilty

parties? J. Appl. Genet. 50, 55–62.

allacE

D. C., 1995.

Mitochondrial DNA in human

evolution, degenerative disease, and aging. Am.

J. Hum. Genet. 57, 201–203.

allacE

D. C., 2005.

A mitochondrial paradigm

of metabolic and degenerative diseases, aging

and cancer: a dawn for evolutionary medicine.

Annu. Rev Genet 39, 359–407.